鈦酸鋰電池在軌道交通車輛中的應(yīng)用研究

李輝光,邵克成

(中車浦鎮(zhèn)阿爾斯通運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司 工程中心,安徽 蕪湖 241060)

采用車載儲能供電的軌道交通車輛不僅具有傳統(tǒng)軌道交通車輛的優(yōu)點(diǎn),而且還可以通過儲能系統(tǒng)充分回收制動能量,提高能量利用效率;同時也可以降低牽引供電網(wǎng)的需求,減少網(wǎng)側(cè)故障及安全隱患,進(jìn)一步降低建設(shè)成本和縮短工期,提升城市規(guī)劃的柔性。隨著新型能源技術(shù)和車載儲能技術(shù)的不斷發(fā)展,超級電容、鋰動力電池、氫燃料電池及其混合動力裝置在車輛中得到了大力推廣和廣泛應(yīng)用[1-3]。本文基于車載儲能供電軌道交通車輛對動力電池的應(yīng)用需求,從多個方面對不同類型的動力電池進(jìn)行了對比分析,介紹了鈦酸鋰動力電池在軌道交通車輛中的應(yīng)用情況,對某導(dǎo)軌式膠輪車輛牽引主電路中動力電池的應(yīng)用和選型進(jìn)行了詳細(xì)說明。

1 軌道交通車輛動力電池應(yīng)用需求和性能對比

城市軌道交通車輛具有使用壽命長、運(yùn)營時間長、載客量大的特點(diǎn),頻繁經(jīng)歷啟動、惰行、減速和停車等工況。為適應(yīng)車輛的運(yùn)營特點(diǎn),動力電池應(yīng)能夠長時間提供恒定能量和瞬時提供大功率輸入/輸出能量,這就對動力電池的性能和安全性提出了更高的要求。

目前城市軌道交通車輛普遍采用鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池,它們雖然工藝成熟,價格低廉,但存在電池能量密度低、循環(huán)壽命短、充電時間長、質(zhì)量和體積大、易產(chǎn)生重金屬污染等缺點(diǎn),因此它們可以用作車輛輔助電池,不宜用作動力電池。隨著鋰電池技術(shù)的迅速發(fā)展,因其具有輸出功率大、能量密度高和循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn),可以作為動力電池,使軌道交通車輛在無供電網(wǎng)的情況下,不需要頻繁充電而運(yùn)行。三元鋰、磷酸鐵鋰和鈦酸鋰等幾種常見典型鋰動力電池的性能參數(shù)對比見表1[4-6]。

表1 幾種常見典型鋰動力電池的性能參數(shù)對比

1.1 安全性

城市軌道交通車輛作為公共交通工具,載客量大,安全性要求高,車載動力電池不應(yīng)成為車輛正常運(yùn)行的安全隱患。

鈦酸鋰電池的負(fù)極材料為鈦酸鋰,電位平臺為1.55 V,避免了三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池在低溫、大倍率充放電情況下鋰離子的析出和鋰枝晶的生長,大大降低了電池內(nèi)部短路的風(fēng)險。當(dāng)電池內(nèi)部出現(xiàn)短路時,以石墨為負(fù)極的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池儲存的能量會快速大量釋放,進(jìn)而觸發(fā)電池?zé)崾Э?導(dǎo)致電池冒煙、著火;而鈦酸鋰電池在短路周圍的鈦酸鋰負(fù)極呈現(xiàn)高阻態(tài),從而限制短路電流和抑制電池發(fā)熱。針刺試驗(yàn)表明,鈦酸鋰電池不冒煙、不著火,安全性最高;磷酸鐵鋰電池會出現(xiàn)冒煙的情況,但是不著火,安全性次之;三元電池會直接著火,耐高溫性能和安全性較差。

1.2 功率密度

為保證車輛能夠達(dá)到較高的啟動加速度,車載動力電池應(yīng)具有較大的輸出功率。在安裝空間和軸重的限制下,要盡可能地減小電池的體積和質(zhì)量,同時要求電池系統(tǒng)具有較高的功率密度和充放電倍率。

鈦酸鋰電池的持續(xù)充放電倍率和最大瞬時放電倍率最大,功率密度最優(yōu),三元鋰電池次之,磷酸鐵鋰電池最差。鈦酸鋰電池更適合大倍率充放電和大功率牽引/制動,車輛在折返線或始發(fā)站/終點(diǎn)站經(jīng)過短時間充電即可投入運(yùn)營。

1.3 能量密度

為保證車輛達(dá)到較遠(yuǎn)的行駛距離,車載動力電池對存儲能量的需求較大。在安裝空間和軸重的限制下,要盡可能地減小電池的體積和質(zhì)量,同時要求電池系統(tǒng)具有較高的能量密度和系統(tǒng)成組率。

三元鋰電池的單體能量密度最優(yōu),磷酸鐵鋰電池次之,鈦酸鋰電池最差;磷酸鐵鋰電池的系統(tǒng)成組率最高,三元鋰電池和鈦酸鋰電池相當(dāng)。

1.4 環(huán)境適應(yīng)性

城市軌道交通車輛的工作環(huán)境溫度變化大,變化范圍為-25～+45 ℃。因此,動力電池應(yīng)具有低溫放電能力,在低溫工況下能夠正常充放電,鈦酸鋰電池的低溫性能最優(yōu),三元鋰電池次之,磷酸鐵鋰電池最差。磷酸鐵鋰電池在-20 ℃時可用放電容量僅為常溫時的30%左右,且在0 ℃以下不允許充電?？紤]到運(yùn)行環(huán)境和車輛性能需求,磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)需要增加加熱和保溫措施,而這樣會增加系統(tǒng)運(yùn)作的復(fù)雜性和成本。鈦酸鋰電池在-20 °C時仍能夠釋放80%的容量,且放電速度遠(yuǎn)高于磷酸鐵鋰電池。

1.5 循環(huán)壽命

城市軌道交通車輛使用壽命長,為避免車輛在30年的使用壽命周期內(nèi)頻繁更換電池,要求電池系統(tǒng)具有較高的使用壽命,從而降低全壽命周期的成本。

鈦酸鋰電池的循環(huán)壽命最高,磷酸鐵鋰電池次之,三元鋰電池最低。雖然鈦酸鋰電池的單次采購成本較高,但考慮到循環(huán)壽命的因素,在電池的使用壽命周期內(nèi),三元鋰電池的吞吐電量成本(吞吐電量成本=單次系統(tǒng)采購成本/持續(xù)工作循環(huán)壽命)最高,鈦酸鋰電池與磷酸鐵鋰電池相當(dāng)。

從以上分析可以看出,鈦酸鋰電池雖然能量密度較低,但其在安全性、功率特性、充放電倍率、循環(huán)壽命、環(huán)境適用性等方面具有明顯優(yōu)勢。因此,在運(yùn)行于無牽引供電網(wǎng)線路的軌道交通車輛上,鈦酸鋰電池作為車載儲能供電裝置得到廣泛應(yīng)用[7-10]。

2 鈦酸鋰電池在軌道交通車輛中的應(yīng)用

2.1 超級電容+鈦酸鋰動力電池

2020年和2021年先后開通的廣州黃埔有軌電車1號線和文山州現(xiàn)代有軌電車示范項(xiàng)目4號線,列車采用4模塊編組,設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度為70 km/h,均采用超級電容和鈦酸鋰電池混合儲能供電。在中間站對超級電容進(jìn)行短時充電,在起始站對動力電池充電,用于通過無供電線路的站間區(qū)間,這樣能夠提升列車的續(xù)航能力和爬坡能力,滿足坡道多、坡道長、坡度陡的線路需求。

2.2 氫能源+鈦酸鋰動力電池

2019年,佛山有軌電車載客運(yùn)營,列車采用3節(jié)編組,總載客量超過360人,最高運(yùn)行速度為80 km/h。車輛采用“燃料電池+動力電池”的混合動力結(jié)構(gòu),配置最大凈輸出功率為200 kW的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)和88 kWh的鈦酸鋰電池,搭載6個35 MPa的儲氫罐,可存儲20 kg氫氣,續(xù)航里程達(dá)到150 km。

2.3 鈦酸鋰動力電池

在線路區(qū)間不是特別長且車輛安裝空間允許的情況下,可單獨(dú)采用鈦酸鋰電池。2019年,愛爾蘭的都柏林項(xiàng)目招標(biāo),要求車輛既能在有接觸網(wǎng)的線路上運(yùn)行,也能在最長距離為35 km的無電力設(shè)施的線路上運(yùn)行,且僅允許在始發(fā)站設(shè)置充電裝置,電池需要滿足每天運(yùn)營的要求,使用壽命不得低于9年(充放電次數(shù)需要達(dá)到3萬次以上)。針對項(xiàng)目要求,“受電弓+大功率鈦酸鋰電池”作為動力源的混合動力驅(qū)動方式成為各車輛廠動力配置的首選。

在國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目《下一代地鐵車輛技術(shù)研究及示范應(yīng)用》中,開展了采用鈦酸鋰電池作為儲能供電系統(tǒng)的研究,以期實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo):

(1) 實(shí)現(xiàn)制動能量本地吸收,并根據(jù)需要供牽引和輔助電源使用,提高整車效率;

(2) 實(shí)現(xiàn)正線電網(wǎng)斷電時的車輛自牽引,提高車輛的應(yīng)急情況處理能力;

(3) 實(shí)現(xiàn)車庫內(nèi)的無電網(wǎng)運(yùn)行,提高車輛庫內(nèi)的檢修便利性。

相關(guān)研究成果已應(yīng)用于昆明地鐵5號線車輛。

3 導(dǎo)軌式膠輪車輛電池系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌式膠輪系統(tǒng)是一種新型低運(yùn)量軌道交通制式,車輛采用車載儲能供電,中央導(dǎo)向,橡膠輪胎行駛,具有噪聲低、振動小、線路適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 列車系統(tǒng)方案

某導(dǎo)軌式膠輪系統(tǒng)列車采用3輛車編組,通過貫通道連接。編組方式為:+Mc-T-Mc+。列車主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 列車主要性能參數(shù)

列車供電主回路如圖1所示,車輛在無牽引供電網(wǎng)區(qū)段由動車上的鈦酸鋰動力電池提供牽引動力,回收制動能量,并向直流空調(diào)供電;在有牽引供電網(wǎng)區(qū)段通過拖車上的受流器經(jīng)高壓箱提供牽引動力和向動力電池充電;在庫內(nèi)停車或調(diào)試時通過國標(biāo)插座向動力電池充電。輔助電源箱內(nèi)包含DC 24 V蓄電池、AC 380 V電源模塊及DC 24 V電源模塊。

圖1 列車供電主回路

3.2 動力電池系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

動力電池系統(tǒng)在選型設(shè)計(jì)時應(yīng)遵循以下原則:

(1) 電壓范圍覆蓋牽引系統(tǒng)的恒功率電壓范圍,最高電壓盡量匹配恒功率電壓的最大值并且不超過系統(tǒng)最高電壓;

(2) 在標(biāo)稱電壓下,電池系統(tǒng)的充放電電流在其持續(xù)充放電電流附近,并盡量降低;

(3) 當(dāng)電池系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)故障或在恒功率電壓為最小值時,電池系統(tǒng)的充放電電流小于其最大充放電電流。

動力電池系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 動力電池系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)流程

在AW3載荷下,導(dǎo)軌式膠輪列車在平直道運(yùn)行的牽引/制動特性曲線如圖3所示。

圖3 AW3載荷下導(dǎo)軌式膠輪列車在平直道運(yùn)行的牽引/制動特性曲線

列車功率P、電壓U、電流I、速度v和力F之間的關(guān)系如式(1)所示:

P=UI=Fv

(1)

其中牽引模式下最大牽引功率為760.5 kW;制動模式下最大制動功率為1 136.7 kW。在不同供電電壓下,列車牽引系統(tǒng)的功率特性如圖4所示。在牽引模式下,在600～820 V供電范圍內(nèi),最大牽引功率保持為760.5 kW;在制動模式下,在620～820 V供電范圍內(nèi),最大制動功率保持為1 136.7 kW;從820 V到系統(tǒng)允許的最高電壓900 V,功率線性下降為0。

圖4 列車牽引系統(tǒng)的功率特性曲線

根據(jù)最大牽引功率的電壓范圍計(jì)算得到標(biāo)稱電壓U=(600+820)/2=710 V。整列車輔助系統(tǒng)功率取60 kW,由式(1)得到恒定功率下牽引最大電流I=(760.5+60)/710=1 155.6 A,制動最大電流I=1 136.7/710=1 601 A。

基于選型設(shè)計(jì)原則,結(jié)合車輛的電流、電壓需求,根據(jù)表1中鈦酸鋰電池的性能參數(shù),確定電池成組方式如下:

(1) 14個70 Ah鈦酸鋰電池單體串聯(lián)形成1個電池模組;

(2) 22個電池模組串聯(lián)形成1個電池標(biāo)準(zhǔn)箱儲能裝置;

(3) 4個電池標(biāo)準(zhǔn)箱并聯(lián)形成列車的動力電池系統(tǒng),性能參數(shù)如表3所示。

表3 電池儲能系統(tǒng)性能參數(shù)

由表3可以看出,動力電池儲能系統(tǒng)最高電壓略高于牽引系統(tǒng)恒功率電壓的最大值,小于系統(tǒng)允許的最高電壓;持續(xù)放電電流略低于標(biāo)稱電壓下所需的電池系統(tǒng)持續(xù)放電電流;標(biāo)稱電壓下所需制動最大電流雖然大于電池系統(tǒng)的持續(xù)充放電電流,達(dá)到了1 601 A,但持續(xù)時間較短,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最大充放電電流。

當(dāng)電池電壓為牽引系統(tǒng)恒功率電壓的最小值時,最大充放電電流分別為1 367.5 A和1 833.4 A,低于最大充放電電流。當(dāng)某一電池標(biāo)準(zhǔn)箱發(fā)生故障時,其余3個電池標(biāo)準(zhǔn)箱提供的電壓不變,標(biāo)稱電壓下最大充放電電流分別為1 540.8 A和2 134.7 A,低于最大充放電電流。因此,設(shè)計(jì)的動力電池系統(tǒng)符合選型設(shè)計(jì)原則,滿足列車牽引、制動所需的供電電壓、電流。

動力電池系統(tǒng)存儲電能為198 kWh,考慮到電池壽命、充放電效率和制動饋能需求,電池SOC的最佳工作區(qū)間為25%～75%,對應(yīng)電量為99 kWh。

基于列車牽引系統(tǒng)特性及輔助系統(tǒng)功率為60 kW,進(jìn)行了某典型項(xiàng)目在AW3載荷下往返運(yùn)行的能耗仿真,結(jié)果表明列車每公里能耗為4.9 kWh,在電池SOC最佳工作區(qū)間內(nèi)可行駛距離約為20 km,在持續(xù)充電的情況下,補(bǔ)充該電量所需時間約為7 min。

4 結(jié)束語

鈦酸鋰動力電池在保證安全的前提下,能夠快速充放電,并滿足一定的運(yùn)營里程要求,降低了對牽引供電網(wǎng)的要求,消除了安全隱患,在軌道交通車輛特別是中小運(yùn)量/里程軌道車輛中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文針對采用鈦酸鋰動力電池的某導(dǎo)軌式膠輪列車,設(shè)計(jì)了供電主回路,給出了動力電池系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)流程和原則,確定了動力電池的成組方式和性能參數(shù)。分析表明,設(shè)計(jì)的動力電池系統(tǒng)符合電壓覆蓋范圍和充放電電流需求,滿足列車的牽引制動性能要求。在電池SOC設(shè)計(jì)的工作范圍區(qū)間25%～75%內(nèi),列車可行駛距離約為20 km,在持續(xù)充電的情況下,補(bǔ)充該電量所需時間約為7 min。